Ainumolekulide biofüüsika

Optilised näpitsad ehk optiline lõksustamine on huvitav ja küllaltki uudne tehnika (esmademonstratsioon: Ashkin, 1970), kus laseri poolt tekitatud valgusvälja rõhku kasutatakse erinevate mikroobjektide hoidmiseks ja manipuleerimiseks mikroskoobi all. Põhimõte on väga lihtne-fokuseerides intensiivset valgust läbi mikroskoobi objektiivi, moodustub meil fookusest ülal- ja allpool levivatest kiirtest midagi, mida ideaalse (lõpmatult väikese) fookustäpi korral võib kirjeldada kui (kaksik-)koonust. Asetades sellesse koonusesse muust keskkonnast erineva murdumisnäitajaga näiteks kerakujulise objekti, põhjustame kiirte kahekordse murdumise (keskkonda sisse ja hiljem sealt välja), mille käigus muutub ka kiirte liikumissuund. Pidagem aga meeles, et valguskiirt võime vaadelda ka valgusosakeste-footonite-voona, ja footonitel on alati ka mingi lõplik impulss. Kui nüüd meie kerakujulist objekti läbides footonite liikumissuund (seega ka impulss) muutub, siis impulsi jäävuse seaduse põhjal antakse teatud impulss edasi ka sellele objektile. Ilmneb, et kui kera sisemine murdumisnäitaja on keskkonna omast suurem, on murdumisest tekkiv summaarne impulss alati suunatud fookuse poole (vt. joonist), nii et ta suunab ja fikseerib objekti koonuse teljele fookuse lähedusse (veidi kaugemale, kuna teatud impulsi annavad ka kera esiosalt peegelduvad footonid).

On selge, et footoni impulss on makroskoopiliste objektide liigutamise mõttes väga väike, olgugi need mõõtmetelt mikromeetri suurusjärgus. Seetõttu peab sellise skeemi töötamiseks valguse intensiivsus olema küllaltki suur, samuti tuleb kasutada võimalikult suure suhtelise avaga objektiive, et valguskoonuse tipunurk oleks suurem, sest siis on suurem ka koonuse välispinnal leviva footoni impulsi vektoriaalne muutus objekti läbimisel. Lõksustatav osake ei tohi olla ei liiga suur (kasvab mass ja keskkonna takistus) ega liiga väike (impulsi muutus ebapiisav).

Konkreetselt oleme jälginud näiteks pärmirakkude (5-6 µm) lõksustumist, kasutades 1064 nm lainepikkusega laserivalgust, mille võimsus objektiivi väljundis oli hinnanguliselt 200 mW. Kasutasime 100x õliimmersioonobjektiivi suhtelise avaga 1.3 (vastav koonuse tipunurk on 118°). Antud objekti puhul on raske hinnata murdumisnäitaja erinevust keskkonna (vee) omast, ent ilmselt ei saa see olla eriti suur, kuna ka raku sisemus koosneb suuresti veest. Ometigi määrasime keskkonnatakistuse ja kiiruse põhjal, millega lõksustatud pärmirakku nihutada sai, ilma et ta lõksust välja tuleks, et näpitsad hoidsid teda kinni jõuga umbes 10 pN.

Sellisel kujul on selle meetodi näol muidugi tegemist eelkõige tööriistaga. Milliseid teaduslikke probleeme see võimaldaks paremini uurida? Neid on mitmeid, aga meile pakub huvi võimalus mõõta selliselt hoitavate bioobjektide spektreid, kuna objekt on nii hoituna küll fikseeritud, aga samas lõksustamisel neutraalsete lainepikkuste kasutamise korral (s.o. mida objekt ei neela) peaks väliskeskkonna mõju talle olema minimaalne, võrreldes teiste fikseerimismeetoditega. Eriti huvipakkuv oleks lõksustada üksikuid molekule, näiteks suurte biomolekulide mõõtmed peaksid seda võimaldama.

Loe lisaks:

• Liis Reisbergi ettekanne: Optilised näpitsad